Budou se elektronická zařízení sama nabíjet? S novým čipem to možná v budoucnu půjde

Celosvětová roční spotřeba energie by podle vědeckých odhadů měla do roku 2040 dosáhnout 21 TWr (terawattroků). To by znamenalo nárůst o 130 procent oproti spotřebě v roce 2019. I s ohledem na současnou krajně nejistou energetickou situaci proto značná část odborné i laické veřejnosti upíná pozornost k solární energetice.

Podle některých odhadů Země ročně přijme zhruba 2,3 × 10⁴ TWr solární energie, takže k uspokojení současných celoročních globálních energetických požadavků by stačilo zachytávat veškeré dopadající sluneční světlo po dobu pouhých 7 hodin. To je samozřejmě nedosažitelný ideál. Současná realita je taková, že fotovoltaické články dokážou přeměňovat sluneční energii na elektrickou s maximální účinností kolem 30 procent, takže většina solární energie se nejenže ztrácí v podobě tepla, ale přispívá také ke zhoršení výkonu článků. Navíc fotovoltaické články fungují pouze přes den. Existují již sice i projekty tzv. koncentračních solárních elektráren, které dokážou vyrábět energii i po západu slunce, tato zařízení jsou však konstrukčně velmi náročná (jejich součástí je soustava obrovských zrcadel, která koncentrují sluneční paprsky do teplonosného média, kterým jsou obvykle roztavené soli či syntetické oleje) a zaberou poměrně dost místa.

Mezinárodní tým vědců ze Švédska, Číny a Španělska nyní představil koncept, který by podle jejich přesvědčení měl fotovoltaiku posunout opět o kousek vpřed. Výsledkem jejich výzkumu a vývoje je kompaktní zařízení na bázi čipu, které umožňuje přímé skladování solární energie, již lze následně řízeně uvolňovat ve formě tepla a přeměňovat na elektrickou energii.

Elektřina třeba až za 18 let

První zárodky tohoto konceptu představil tým vědců ze švédské univerzity Chalmers tekniska högskola již v roce 2017. Vědci tehdy dokázali vyvinout novou technologii pro ukládání sluneční energie na bázi speciální kapaliny. Nyní se týmu podařilo připojit tento systém k ultratenkému termoelektrickému generátoru. Vizí vědců je pokračovat ve vývoji směrem k něčemu, co nazývají samonabíjecí elektronika. Taková zařízení by se podle vědců měla být schopna nabíjet solární energií zcela autonomně podle aktuální potřeby.

Švédy vyvinutá technologie ukládání sluneční energie, označovaná jako molekulární solární termální systém (Molecular Solar Thermal – MOST), se opírá o speciálně navrženou molekulu skládající se z atomů uhlíku, vodíku a dusíku. Když přijde tato molekula do kontaktu se slunečním světlem, atomy v molekule se přeskupí a vznikne energeticky bohatý izomer, který lze konzervovat v kapalné formě.

Předností tohoto systému je, že zachycená energie může být v kapalném stavu uložena až po dobu 18 let. K jejímu opětovnému uvolnění slouží speciálně navržený katalyzátor. Ten vrátí molekulu do jejího původního tvaru, při čemž se uvolní energie ve formě tepla. A právě v této fázi výzkumu tým Chalmers tekniska högskola navázal spolupráci s vědci Šanghajské dopravní univerzity. Výsledkem jejich kooperace je kompaktní termoelektrický generátor umožňující přeměnu získaného tepla na elektřinu. O nejnovějších výsledcích spolupráce vědci informovali minulý měsíc v Cell Report Physical Science.   

„Generátor je ultratenký čip, který by mohl být integrován do spotřební elektroniky, jako jsou sluchátka, chytré hodinky či mobilní telefony,“ je přesvědčen Zhihang Wang, který se na projektu podílí. „Zatím jsme sice takto vyrobili jen malé množství elektřiny, ale výsledky výzkumu ukazují, že tento koncept skutečně funguje. Vypadá to velmi slibně,“ dodává.

Malý výkon, ale funguje to

V současné době výkon generátoru údajně dosahuje 0,1 nW, což opravdu není mnoho, vědci však spatřují v technologii MOST velký potenciál, který by mohl řešit z podstaty věci přetržitý charakter solární energetiky tím, že takto vzniklou energii dokáže dlouhodobě ukládat.

„Toto je radikálně nový způsob výroby elektřiny ze sluneční energie,“ řekl vedoucí výzkumu Kasper Moth-Poulsen, který je také profesorem na katedře chemie a chemického inženýrství v Chalmers. „Umožňuje nám využít solární energii k výrobě elektřiny bez ohledu na počasí, denní dobu, roční období nebo zeměpisnou polohu. Je to uzavřený systém, který může fungovat, aniž způsobí emise oxidu uhličitého,“ upřesnil.

Vědci se nyní, poté co se jim podařilo prokázat, že výroba elektřiny je tímto způsobem možná, hodlají zaměřit na zlepšení výkonu tohoto energetického zdroje a zároveň začít připravovat i cenově dostupná komerční řešení, která by mohla sloužit, jak již bylo uvedeno, například k nabíjení běžné spotřební elektroniky nebo k vytápění domácností.

„Společně s různými výzkumnými skupinami zahrnutými do projektu nyní pracujeme na zefektivnění systému. Je třeba zvýšit množství elektřiny a tepla, které dokáže vyprodukovat. I když je energetický systém založen na jednoduchých základních materiálech, je třeba jej upravit tak, aby byl dostatečně nákladově efektivní a bylo možné jej vyrábět v širším měřítku,“ dodal Kasper Moth-Poulsen.